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STAND DER TECHNIK
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftstoffsensoreinrichtung
zur Identifizierung unterschiedlicher Kraftstoffsorten. Darüber hinaus
betrifft die vorliegende Erfindung eine Schutzvorrichtung zur Vermeidung
einer Fehlbetankung eines Kraftfahrzeugs.
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Unbeabsichtigte
Fehlbetankungen eines Kraftfahrzeugs mit einem für den jeweiligen Motortyp ungeeigneten
Kraftstoff können
den Motor beschädigen.
Beispielsweise reagieren moderne Hochdruckeinspritzsysteme von Dieselmotoren
sehr empfindlich auf Änderungen
in der Schmierfähigkeit,
die insbesondere durch eine Verdünnung
des Dieselkraftstoffs mit Ottomotorkraftstoffen hervorgerufen werden
können.
Es hat sich gezeigt, dass bereits eine kurzfristig unterbrochene
beziehungsweise verschlechterte Schmierung eine irreparable Schädigung der
Hochdruckeinspritzanlage und somit einen kompletten Austausch der
Kraftstoffanlage zur Folge haben kann.
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Kraftstoffsensoreinrichtungen
zur Identifizierung unterschiedlicher Kraftstoffsorten und zur Erkennung
von Fehlbetankungen sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt.
Zum Beispiel wurde von der Universität des Saarlands eine Kraftstoffsensoreinrichtung
zur Erkennung von Fehlbetankungen entwickelt, die als Gassensor
arbeitet. Die Kraftstoffsensoreinrichtung muss dabei vom flüssigen Kraftstoff getrennt
werden, da ein Kontakt mit dem flüssigen Medium die sensitive
Fläche
der Kraftstoffsensoreinrichtung zerstört. Die bekannte Kraftstoffsensoreinrichtung
hat den Nachteil, dass sie auf eine Vielzahl von Gasen reagiert
und daher nur eine geringe Selektivität für Ottomotorkraftstoffe aufweist.
Ferner ist eine Unterscheidung zwischen verschiedenen Dieselkraftstoffen
nicht möglich.
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Im
Stand der Technik werden häufig
mechanische Schutzvorrichtungen eingesetzt, um eine Fehlbetankung
eines Kraftfahrzeugs zu verhindern. Derartige mechanische Schutzvorrichtungen
orientieren sich zum Beispiel am Innendurchmesser einer Zapfpistole
für Dieselkraftstoffe
und gestatten nur dann eine Betankung des Fahrzeugs, wenn die Zapfpistole
einen bestimmten Mindestdurchmesser aufweist.
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Mechanische
Schutzvorrichtungen können allerdings
keinen zuverlässigen
Schutz gewährleisten,
da eine Vielzahl verschiedener, teilweise unterschiedlich genormter
Zapfpistolen existiert.
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Hier
setzt die vorliegende Erfindung an.
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Die
der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin,
eine Kraftstoffsensoreinrichtung zur Identifizierung unterschiedlicher Kraftstoffsorten
zur Verfügung
zu stellen, die einfach und kostengünstig herstellbar ist und eine
schnelle Erfassung einer Fehlbetankung ermöglicht. Darüber hinaus liegt der vorliegenden
Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Schutzvorrichtung zur Vermeidung von
Fehlbetankungen zur Verfügung
zu stellen, mittels derer Schäden,
die auf Grund einer Fehlbetankung auftreten können, wirksam vermieden werden können.
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VORTEILE DER ERFINDUNG
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Diese
Aufgabe wird hinsichtlich der Kraftstoffsensoreinrichtung durch
eine Kraftstoffsensoreinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
Hinsichtlich der Schutzvorrichtung wird die der vorliegenden Erfindung
zu Grunde liegende Aufgabe durch eine Schutzvorrichtung mit den
Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
Die Unteransprüche
betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung.
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Gemäß Anspruch
1 umfasst eine erfindungsgemäße Kraftstoffsensoreinrichtung,
die zur Identifizierung unterschiedlicher Kraftstoffsorten geeignet ist:
- – ein
Gehäuse,
durch das der Kraftstoff während des
Betankens hinein- und/oder hindurchfließen kann,
- – mindestens
eine Heizvorrichtung, die zum Aufheizen des Kraftstoffs während des
Betriebs der Kraftstoffsensoreinrichtung geeignet ist,
- – Mittel
zur Bestimmung einer charakteristischen Temperatur des Kraftstoffs.
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Mit
Hilfe der erfindungsgemäßen Kraftstoffsensoreinrichtung
können
unterschiedliche charakteristische Temperaturen des Kraftstoffs,
die eine Unterscheidung unterschiedlicher Kraftstoffsorten ermöglichen,
bestimmt werden. Die Kraftstoffsensoreinrichtung kann in verschiedenen
Einbauorten (zum Beispiel im Zulauf des Tanks oder unmittelbar im Tank)
eingebaut sein und in verschiedenen Betriebsarten betrieben werden.
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Die
Strömungsführung der
Kraftstoffsensoreinrichtung erzeugt eine viskositätsabhängige Strömung. Dünnflüssigere
Medien durchströmen
die Kraftstoffsensoreinrichtung schneller. Auf Grund ihrer unterschiedlichen
Viskositäten
können
Benzin- und Dieselkraftstoffe zuverlässig unterschieden werden. Eine
zusätzliche
Strömung
kann durch eine Dampfblasenbildung erzeugt werden, wenn die Heizflächentemperatur
der Heizvorrichtung oberhalb des Siedebeginns beziehungsweise der
Siedetemperatur des Kraftstoffs liegt. Dies wird in einer besonders
vorteilhaften Ausführungsform
der Kraftstoffsensoreinrichtung ausgenutzt.
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Beispielsweise
kann die Kraftstoffsensoreinrichtung in den nachfolgend aufgeführten Betriebsarten
betrieben werden:
- 1. Die Heizvorrichtung der
Kraftstoffsensoreinrichtung wird mit einem konstanten Strom beaufschlagt
und die sich einstellende Gleichgewichtstemperatur wird als charakteristische
Temperatur bestimmt. Da Dieselkraftstoffe grundsätzlich einen größeren Wärmeableitungswiderstand
als Benzinkraftstoffe (Ottomotorkraftstoffe) aufweisen, ist dies
anhand der Gleichgewichtstemperatur (auch anhand des Stromverbrauchs
für ein
definiertes Zeitintervall oder anhand von Aufheiz- und Abkühlzeiten)
erkennbar. Die Siedebereiche von Diesel- und Ottomotorkraftstoffen
liegen relativ weit auseinander. Eine Einstellung der Kraftstoffsensoreinrichtung
während
ihres Betriebs auf Gleichgewichtstemperaturen, die knapp unterhalb des
Siedebeginns von Dieselkraftstoff liegen, ist vorteilhaft, da eine
Zumischung von Benzin durch eine deutliche Herabsetzung der Gleichgewichtstemperatur
erkannt werden kann.
- 2. Die Heizvorrichtung der Kraftstoffsensoreinrichtung wird
während
des Betriebs mit einem konstanten Strom aufgeheizt. Dabei wird als
charakteristische Temperatur die Übergangstemperatur von einer
konduktiven Wärmeableitung
hin zu einer konvektiven Wärmeableitung
anhand des Temperaturprofils erkannt. Diese Übergangstemperaturen von Diesel-
und Ottomotorkraftstoffen sind deutlich verschieden, so dass eine
Unterscheidung verschiedener Kraftstoffsorten möglich ist.
- 3. Die Heizvorrichtung der Kraftstoffsensoreinrichtung wird
mit einer stetigen Stromrampe betrieben. Dabei wird die Übergangstemperatur
als charakteristische Temperatur aus dem sich ergebenden Temperaturprofil
bestimmt.
- 4. Die Heizvorrichtung wird mit konstantem Widerstand (beziehungsweise
mit konstanter Temperatur) betrieben. Zur Unterscheidung zwischen
Benzin- und Dieselkraftstoffen kann die Temperatur so eingestellt
werden, dass sie zwischen den Siedetemperaturen von Benzin und Diesel
liegt. Wird die Temperatur zum Beispiel auf 150°C eingestellt, so ist für Dieselkraftstoffe
kein Sieden zu erwarten, während
Benzin bei dieser Temperatur bereits stark siedet. Zur Einstellung
eines konstanten Widerstands der Heizvorrichtung (beziehungsweise
einer konstanten Heizflächentemperatur)
wird der elektrische Strom geregelt. Für eine Dieselströmung ist
der benötigte
elektrische Strom im Vergleich zu einer Benzinströmung relativ
klein, da die viskositätsbedingte
Strömung durch
eine signifikante Siedeströmung überlagert ist.
Diese Betriebsart der Kraftstoffsensoreinrichtung ist mit der eines
Schwellwertschalters (Schmitt-Triggers) in der Elektronik vergleichbar. PTC-Heizelemente
mit einer im Wesentlichen parabelförmigen Widerstandskennlinie
haben hierbei den Vorteil einer gewissermaßen selbstregulierenden Heizflächentemperatur
und sind gegenüber
PTC-Heizelementen mit einem im Wesentlichen linearen Kennlinienverlauf,
wie er zum Beispiel für
Platin-Heizelemente charakteristisch ist, vorteilhafter.
- 5. Die Heizvorrichtung wird mit konstanter Spannung beziehungsweise
konstanter Leistung betrieben.
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Wird
die Heizvorrichtung mit konstantem Strom betrieben, so kann durch
eine entsprechende Wahl der Stromstärke eine zusätzliche
Siedeströmung
von Benzin eine Unterscheidung von Diesel erleichtern.
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Ein
wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Kraftstoffsensoreinrichtung
besteht darin, dass das grundlegende Messprinzip, welches der Kraftstoffsensoreinrichtung
zu Grunde liegt, relativ einfach ist und dass somit die Kraftstoffsensoreinrichtung verhältnismäßig kostengünstig und
in robuster Ausführung
herstellbar ist.
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Die
erfindungsgemäße Kraftstoffsensoreinrichtung
geht von der Erkenntnis aus, dass unterschiedliche Kraftstoffsorten,
wie zum Beispiel Dieselkraftstoffe oder Ottomotorkraftstoffe unterschiedliche Siedebereiche
beziehungsweise Siedetemperaturen besitzen. Durch eine Bestimmung
der Siedetemperatur des zugetankten Kraftstoffs kann somit bestimmt werden,
ob es sich bei der Kraftstoffsorte um den für den jeweiligen Motorentyp
geeigneten Kraftstoff handelt. Die Kraftstoffsensoreinrichtung ist
ferner in der Lage, verschiedene Dieselkraftstoffe zu unterscheiden.
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Die
Kraftstoffsensoreinrichtung ist sehr empfindlich und darüber hinaus
in der Lage, Fehlbetankungen relativ schnell zu erkennen, so dass
das Einspritzsystem des Motors wirksam vor Schäden geschützt werden kann. Ferner können selbst
geringe Zumischungen eines Ottomotorkraftstoffs zum Dieselkraftstoff
zuverlässig
erkannt werden.
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Wird
die Heizvorrichtung der Kraftstoffsensoreinrichtung mit Strom beaufschlagt,
so erlaubt der am Heizelement gemessene Temperaturverlauf die Detektion
eines Übergangs
von einer konduktiv dominierten Wärmeleitung hin zu einer konvektiv
dominierten Wärmeleitung.
Diese Übergangstemperatur ist
als Anzeichen eines veränderten
Wärmeübergangs
für verschiedene
Dieselkraftstoffe charakteristisch. So beträgt zum Beispiel die Übergangstemperatur
von Biodiesel etwa 250°C,
diejenige von herkömmlichem
Diesel etwa 210°C
und diejenige von synthetischen Kraftstoffen etwa 180°C. Die Übergangstemperatur
ist auch charakteristisch für
Mischungen zweier Dieselkraftstoffe. So kann zum Beispiel durch
eine Bestimmung der Übergangstemperatur
mit Hilfe der Kraftstoffsensoreinrichtung auf die Kraftstoffmischung
geschlossen werden. Dazu können
geeignete Mischungsrechnungen durchgeführt werden.
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Durch
die Erfassung einer Fehlbetankung kann die Kraftstoffsensoreinrichtung
eine Zerstörung der
Einspritzpumpe verhindern und die weiteren Aggregate der Kraftstoffanlage
vor Abriebspartikeln der Einspritzpumpe schützen. Die Überwachung der Sensorsignale
durch die Motorsteuerung erleichtert darüber hinaus die Schadensregulierung
an Einspritzpumpen.
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Wesentlich
für eine
zuverlässige
Detektion einer Fehlbetankung ist es, dass die Kraftstoffsensoreinrichtung
die verschiedenen Kraftstoffarten zuverlässig erkennen kann. Aufgrund
der großen
Siedepunktsdifferenz zwischen einem Ottomotor- und einem Dieselmotorkraftstoff
gelingt die Detektion von Benzinzumischungen zu Dieselkraftstoffen
mit der hier gezeigten Kraftstoffsensoreinrichtung in besonders
vorteilhafter Weise, da der Wärmeübergang
an der Heizvorrichtung schon von kleinen Spuren eines Ottomotorkraftstoffs
sehr deutlich verändert
wird.
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Ein
weiteres Anwendungsgebiet der Kraftstoffsensoreinrichtung besteht
neben der Erkennung einer Fehlbetankung des Kraftfahrzeugs darin,
dass die aktuelle Zusammensetzung des Kraftstoffs im Kraftstofftank
bestimmt werden kann und dass Informationen über diese Zusammensetzung dem
Motormanagement zur Verfügung
gestellt werden können. So
erlaubt zum Beispiel die Kenntnis über die Art und die Zusammensetzung
des im Kraftstofftank vorhandenen Dieselkraftstoffs eine Nachführung und
Anpassung des Einspritzzyklus und führt somit zu verbesserten Verbrennungsabläufen und
geringeren Schadstoffemissionen.
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Vorzugsweise
umfasst die Heizvorrichtung ein NTC-Heizelement oder ein PTC-Heizelement, welches
mindestens abschnittsweise in das Gehäuse hineinragt. Das PTC-Heizelement
kann zum Beispiel einen im Wesentlichen parabelförmigen Kennlinienverlauf aufweisen.
Dadurch kann, wie bereits oben erwähnt, eine gewissermaßen selbstregulierende
Heizflächentemperatur
erhalten werden. Die Heizvorrichtung kann auch ein herkömmliches
Platinheizelement mit einem im Wesentlichen linearen Kennlinienverlauf
umfassen.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen,
dass das Gehäuse einen
Kraftstoffeinlauf umfasst, der insbesondere als Lochplatte ausgeführt ist.
Dadurch kann die Kraftstoffsensoreinrichtung explosionssicher ausgestaltet werden,
so dass sie insbesondere auch im Gasraum des Kraftstofftanks betrieben
werden kann.
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Um
ein Trockenlaufen der Kraftstoffsensoreinrichtung während des
Betriebs zu verhindern, wird in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform vorgeschlagen,
dass die Kraftstoffsensoreinrichtung eine im Wesentlichen siphonartige Überlaufstruktur aufweist,
die im Gehäuse
der Kraftstoffsensoreinrichtung ausgebildet ist.
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Es
kann in einer vorteilhaften Ausführungsform
vorgesehen sein, dass die Kraftstoffsensoreinrichtung mindestens
ein Volumenstrombegrenzungsmittel aufweist, um den Volumenstrom
des einströmenden
Kraftstoffs in der Kraftstoffsensoreinrichtung zu begrenzen. Das
mindestens eine Volumenstrombegrenzungsmittel kann beispielsweise
eine Lochblende oder einen Bernoulli-Kanal umfassen.
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Es
besteht weiterhin in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform
die Möglichkeit,
dass die Kraftstoffsensoreinrichtung Druckbegrenzungsmittel aufweist.
Die Druckbegrenzungsmittel können
zum Beispiel eine Blende umfassen, die vorzugsweise im Einlauf der
Kraftstoffsensoreinrichtung angeordnet ist. Diese Blende kann den
Impuls des während
des Betriebs in die Kraftstoffsensoreinrichtung einströmenden Kraftstoffs
quasi herunterteilen und dadurch den Kraftstoffzustrom in die Kraftstoffsensoreinrichtung
begrenzen. Die Druckbegrenzungsmittel können darüber hinaus mindestens einen Überlauf
umfassen, der in die Kraftstoffsensoreinrichtung integriert ist. Übermengen
des Kraftstoffs in der Kraftstoffsensoreinrichtung, welche zur Einstellung
eines konstanten geodätischen
Drucks stets vorhanden sind, können über einen
Auslauf im Gehäuse,
der mit dem mindestens einen Überlauf
strömungstechnisch verbunden
ist, abgeleitet werden.
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Die
Mittel zur Bestimmung einer charakteristischen Temperatur des Kraftstoffs
können
mindestens ein Temperaturerfassungselement umfassen, das in die
Heizvorrichtung integriert ist. Das Temperaturerfassungselement
kann zum Beispiel ein NTC- oder ein PTC-Temperaturerfassungselement sein.
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Gemäß Anspruch
8 umfasst eine erfindungsgemäße Schutzvorrichtung
zur Vermeidung einer Fehlbetankung eines Kraftfahrzeugs mindestens eine
Kraftstoffsensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, und zeichnet sich
dadurch aus dass die mindestens eine Kraftstoffsensoreinrichtung
im Zulauf eines Kraftstofftanks angeordnet ist. Die Anordnung der
Kraftstoffsensoreinrichtung im Zulauf des Kraftstofftanks ermöglicht eine
rasche Erkennung einer Fehlbetankung.
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Es
besteht in einer bevorzugten Ausführungsform die Möglichkeit,
dass die Schutzvorrichtung mindestens eine Fehlbetankungswarnvorrichtung
umfasst, die an die mindestens eine Kraftstoffsensoreinrichtung
angeschlossen ist. Die Schutzvorrichtung kann somit bereits während des
Betankens und/oder nach dem Start des Fahrzeuges eine Warnung vor
einer Fehlbetankung ausgeben. Die Warnung erfolgt dabei vor dem
Eintritt eines Schadens in Folge der Fehlbetankung. Besonders vorteilhaft
ist eine entsprechende Warnung bereits vor dem Verlassen der Tankstelle,
so dass die Fehlbetankung noch unmittelbar an der Tankstelle rückgängig gemacht werden
kann.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform besteht die Möglichkeit,
dass die Schutzvorrichtung mindestens eine Verschlussvorrichtung
umfasst, geeignet, den Einfüllstutzen
und/oder den Zulauf des Kraftstofftanks und/oder andere Kraftstoff führende Leitungen
des Kraftfahrzeugs bei der Erkennung einer Fehlbetankung zu verschließen und/oder
bei der Erkennung einer ordnungsgemäßen Betankung zu öffnen. Die
Verschlussvorrichtung kann ein Ventil, insbesondere ein herkömmliches Tankentlüftungsventil
oder ein Ventil, das in Tankzulauföffnungen verbaut ist und als
Auslaufsicherung für
den Tank dient (ein so genanntes „Inlet Check Valve"), umfassen. Die
Kraftstoffsensoreinrichtung bestimmt die Art des zugetankten Kraftstoffs,
kann jedoch alleine eine Fehlbetankung des Kraftfahrzeugs nicht
verhindern. Dies lässt
sich durch die Integration der Verschlussvorrichtung in den Einfüllstutzen
beziehungsweise den Zulauf des Kraftstofftanks erreichen. Die Verschlussvorrichtung
wird abhängig
von der Art des eingefüllten
Kraftstoffs entweder geöffnet oder
verschlossen. Es ist möglich,
die Verschlussvorrichtung so lange geschlossen zu halten, bis die Kraftstoffart
erkannt wurde. Erst dann wird die Verschlussvorrichtung geöffnet und
der Einfüllstutzen beziehungsweise
der Zulauf freigegeben. Das Kraftstoffvolumen in Strömungsrichtung
oberhalb der Verschlussvorrichtung dient gewissermaßen als
Pufferspeicher für
den Kraftstoff. Da die hier vorgestellte Kraftstoffsensoreinrichtung
sehr schnelle Analysen des zugetankten Kraftstoffs ermöglicht,
ist nur ein geringes Puffervolumen oberhalb der Verschlussvorrichtung
notwendig. Vorteilhaft ist dabei, dass mit der in der Regel geschlossenen
Verschlussvorrichtung auch der Tank abgesperrt ist. In einer vorteilhaften Ausführungsform
dient die Verschlussvorrichtung auch dem Tankverschluss. Der Tankverschluss
wird erst geöffnet,
wenn der zugetankte Kraftstoff als geeignet identifiziert wurde.
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Die
Verschlussvorrichtung kann alternativ auch zunächst geöffnet sein und dann geschlossen werden,
wenn eine Fehlbetankung mit Hilfe der Kraftstoffsensoreinrichtung
erkannt wurde. Die Verschlussvorrichtung muss dann nicht zwingend
im Einfüllstutzen
beziehungsweise Zulauf angeordnet sein. Es können andere Ventile, die in
der Tankanlage verbaut sind (zum Beispiel ein Tankentlüftungsventil)
als Verschlussvorrichtung genutzt werden. Eine Ansteuerung des Tankentlüftungsventils
zur Unterbrechung des Betankungsvorgangs ist vorteilhaft, da ein
derartiges Tankentlüftungsventil
in jedem Kraftfahrzeugtank vorhanden ist.
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ZEICHNUNGEN
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich
anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
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1 eine
schematische Darstellung einer Anordnung einer Kraftstoffsensoreinrichtung
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung im Zulauf eines Kraftstofftanks;
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2 eine
schematisch stark vereinfachte Darstellung der Kraftstoffsensoreinrichtung
gemäß 1;
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3 eine
schematische Darstellung einer Heizvorrichtung, der Kraftstoffsensoreinrichtung
gemäß 2.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Zunächst wird
auf 1 Bezug genommen, in der eine Anordnung einer
Kraftstoffsensoreinrichtung 3 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung in einem Zulauf 6 eines Kraftstofftanks 1 schematisch
stark vereinfacht dargestellt ist. Die hier gezeigte Anordnung der
Kraftstoffsensoreinrichtung 3 kann einen Teil einer erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung
zur Vermeidung einer Fehlbetankung eines Kraftfahrzeugs bilden.
Die in 1 dargestellte, besonders vorteilhafte Anordnung
der Kraftstoffsensoreinrichtung 3 ist zur Erkennung einer
Fehlbetankung des Kraftfahrzeugs bereits während des Betankens geeignet.
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Der
Kraftstofftank 1 weist einen Einfüllstutzen 2 auf, durch
den während
des Betankungsvorgangs Kraftstoff eingefüllt wird und durch den Zulauf 6 in
den Kraftstofftank 1 hineinfließt. Im Inneren des Kraftstofftanks 1 ist
ein Tankmodul 4 untergebracht, das unter anderem eine Kraftstoffpumpe,
einen Füllstandsgeber
zur Erfassung des Kraftstofffüllstands sowie
eine Steuerungseinrichtung aufweisen kann.
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Die
Kraftstoffsensoreinrichtung 3, die in 2 schematisch
stark vereinfacht dargestellt ist, weist ein Gehäuse 30 auf, in dessen
Oberseite, die nach dem Einbau in den Zulauf 6 des Kraftstofftanks 1 dem
Einfüllstutzen 2 zugewandt
ist, ein Kraftstoffeinlauf 31 ausgebildet ist. Der Kraftstoffeinlauf 31 ist
in diesem Ausführungsbeispiel
als Lochplatte ausgebildet, welche insbesondere explosionssicher
ausgeführt
sein kann. Beispielsweise kann der Kraftstoffeinlauf 31 als
Lochblende ausgestaltet sein, um dadurch den Impuls der in die Kraftstoffsensoreinrichtung 3 einströmenden Kraftstoffmenge gewissermaßen herunterzuteilen
und dadurch den Kraftstoffzustrom zu verringern.
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Im
Inneren des Gehäuses 30 der
Kraftstoffsensoreinrichtung 3 ist eine im Wesentlichen
siphonartige Überlaufstruktur 32 ausgebildet,
die verhindert, dass die Kraftstoffsensoreinrichtung 3 trockenläuft. Die
in die Kraftstoffsensoreinrichtung 3 integrierte, im Wesentlichen
siphonartige Überlaufstruktur 32 ermöglicht ferner
eine Spülung
der Kraftstoffsensoreinrichtung 3 mit Kraftstoff während des
Betankens und gewährleistet
eine stete Befüllung
mit Kraftstoff auch nach dem Tankvorgang.
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Um
den Volumenstrom des einströmenden Kraftstoffs
in der Kraftstoffsensoreinrichtung 3 zu begrenzen, ist
seitlich an einer Wand des Gehäuses 30 ein
Volumenstrombegrenzungsmittel 33 im Auslauf angeordnet.
Beispielsweise kann das Volumenstrombegrenzungsmittel 33 eine
Lochblende oder einen Bernoulli-Kanal umfassen. Dadurch, dass das
Volumenstrombegrenzungsmittel 33 vorgesehen ist, ist eine
zuverlässige
Erfassung einer Fehlbetankung beziehungsweise die Analyse des in
den Kraftstofftank 1 einfließenden Kraftstoffs bereits
während
des Betankungsvorgangs möglich.
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Des
Weiteren umfasst die Kraftstoffsensoreinrichtung 3 eine
Heizvorrichtung 5, die im Gehäuse 30 untergebracht
ist. Die Heizvorrichtung 5 dient einer Erwärmung des
Kraftstoffs, der in die Kraftstoffsensoreinrichtung 3 hineinströmt. Man
erkennt in 2, dass sich die Heizvorrichtung 5 unterhalb
des Volumenstrombegrenzungsmittels 33 erstreckt und auf
Grund der im Wesentlichen siphonartigen Überlaufstruktur 32 stets
mit Kraftstoff benetzt wird.
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Die
Heizvorrichtung 5, die in 3 schematisch
dargestellt ist, umfasst einen Heizdraht 51, der in diesem
Ausführungsbeispiel
mehrfach gebogen ist, um eine ausreichende Heizfläche zur
Verfügung zu
stellen, und zwei Kontaktelemente 52, 53, die
mit dem Heizdraht 51 verbunden sind. Die Heizvorrichtung 5 kann
ein integriertes Temperaturerfassungsmittel zur Bestimmung einer
charakteristischen Temperatur des Kraftstoffs, die zur Identifizierung
des Kraftstoffs geeignet ist, aufweisen. Die Heizvorrichtung 5 kann
beispielsweise ein PTC-Heizelement (z. B. eine Platin-Mikroheizvorrichtung)
oder ein NTC-Heizelement (z. B. eine Kohlewiderstandsbahn oder dergleichen)
umfassen. Vorzugsweise sind Temperaturerfassungsmittel, die insbesondere
eine PTC- oder eine NTC-Temperaturmesseinrichtung (zum Beispiel
eine PT100-Temperaturmesseinrichtung) umfassen können, vorgesehen, die insbesondere
in die Heizvorrichtung 5 integriert sein können. Es
besteht alternativ oder zusätzlich
auch die Möglichkeit,
die Temperaturerfassungsmittel separat von der Heizvorrichtung 5 im
Gehäuse 30 der
Kraftstoffsensoreinrichtung 3 unterzubringen. Mit Hilfe
der Temperaturerfassungsmittel kann eine charakteristische Temperatur
erfasst werden, die eine Identifizierung einer Kraftstoffsorte ermöglicht.
Das grundlegende Messprinzip der Kraftstoffsensoreinrichtung 3 wird
weiter unten näher
beschrieben.
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Durch
die besonders vorteilhafte Anordnung der Kraftstoffsensoreinrichtung 3 im
Zulauf 6 des Kraftstofftanks 1 kann eine Fehlbetankung
rasch erkannt werden. Ferner ermöglicht
diese Anordnung eine relativ hohe Genauigkeit bei der Erkennung
einer Fehlbetankung. Für
ein qualitativ gutes Messergebnis sind eine gute Durchströmung sowie
Spülung der
Kraftstoffsensoreinrichtung 3 während des Zuführens des Kraftstoffs
wichtig. Beim Betanken strömt der
Kraftstoff durch den Einfüllstutzen 2 und
den Zulauf 6 in den Tank 1 und teilweise durch
den Kraftstoffeinlauf 31 in die Kraftstoffsensoreinrichtung 3 hinein und
wird dort analysiert und identifiziert.
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Zur
Bestimmung einer charakteristischen Temperatur, die eine Identifizierung
eines Kraftstoffs ermöglicht,
kann die hier vorgestellte Kraftstoffsensoreinrichtung 3 in
unterschiedlichen Betriebsarten betrieben werden. Beispielhafte
Betriebsarten der Kraftstoffsensoreinrichtung 3 sind:
- 1. Die Heizvorrichtung 5 der Kraftstoffsensoreinrichtung 3 wird
mit einem konstanten (vorgewählten)
Strom beaufschlagt und die sich einstellende Gleichgewichtstemperatur
wird mit Hilfe der Temperaturerfassungsmittel erfasst. Da Dieselkraftstoffe
grundsätzlich
einen größeren Wärmeableitungswiderstand
als Benzinkraftstoffe (Ottomotorkraftstoffe) aufweisen, ist dies
anhand der Gleichgewichtstemperatur (auch anhand des Stromverbrauchs
für ein
definiertes Zeitintervall sowie anhand von Aufheiz- und Abkühlzeiten)
erkennbar. Die Siedebereiche von Diesel- und Ottomotorkraftstoffen
liegen relativ weit auseinander. Eine Einstellung des Stroms (der
Temperatur) der elektrischen Heizvorrichtung 5 der Kraftstoffsensoreinrichtung 3 auf
Gleichgewichtstemperaturen knapp unterhalb des Siedebeginns von
Dieselkraftstoff ist besonders vorteilhaft, da eine Zumischung von
Benzin durch eine deutliche Herabsetzung der Gleichgewichtstemperatur
erkannt werden kann.
- 2. Die Heizvorrichtung 5 der Kraftstoffsensoreinrichtung 3 wird
mit einem konstanten Strom aufgeheizt. Dabei wird eine Übergangstemperatur von
einer konduktiven Wärmeableitung
hin zu einer konvektiven Wärmeableitung
anhand des Temperaturprofils, das mit Hilfe der Temperaturerfassungsmittel
bestimmt wird, erkannt. Die Übergangstemperaturen
von der konduktiven Wärmeableitung
hin zur konvektiven Wärmeableitung sind
bei Diesel- und Ottomotorkraftstoffen deutlich verschieden, so dass
diese Übergangstemperatur zur
Identifizierung unterschiedlicher Kraftstoffsorten geeignet ist.
- 3. Die Heizvorrichtung 5 der Kraftstoffsensoreinrichtung 3 wird
mit einer stetigen Stromrampe betrieben. Dabei wird die Übergangstemperatur
aus dem sich ergebenden Temperaturprofil, das mit Hilfe der Temperaturerfassungsmittel
gemessen wird, bestimmt.
- 4. Die Heizvorrichtung 5 der Kraftstoffsensoreinrichtung 3 wird
mit konstantem Widerstand (beziehungsweise mit konstanter Temperatur)
betrieben. Zur Unterscheidung zwischen Benzin- und Dieselkraftstoffen
kann die Temperatur so eingestellt werden, dass sie zwischen den
Siedetemperaturen von Benzin und Diesel liegt. Wird die Temperatur
zum Beispiel auf 150°C
eingestellt, so ist für
Dieselkraftstoffe kein Sieden zu erwarten, während Benzin bei dieser Temperatur
bereits stark siedet. Zur Einstellung eines konstanten Widerstands
der Heizvorrichtung 5 (beziehungsweise einer konstanten
Heizflächentemperatur)
wird der elektrische Strom geregelt. Für eine Dieselströmung ist
der benötigte
elektrische Strom im Vergleich zu einer Benzinströmung relativ
klein, da die viskositätsbedingte
Strömung
durch eine signifikante Siedeströmung überlagert
ist. Diese Betriebsart der Kraftstoffsensoreinrichtung 3 ist mit
derjenigen eines Schwellwertschalters (Schmitt-Triggers) in der
Elektronik vergleichbar. PTC-Heizelemente mit einer im Wesentlichen
parabelförmigen
Widerstandskennlinie haben hierbei den Vorteil einer gewissermaßen selbstregulierenden
Heizflächentemperatur
und sind gegenüber
PTC-Heizelementen mit einem im Wesentlichen linearen Kennlinienverlauf,
wie er zum Beispiel bei Platin-Heizelementen charakteristisch ist,
vorteilhafter.
- 5. Die Heizvorrichtung 5 der Kraftstoffsensoreinrichtung 3 wird
mit konstanter Spannung beziehungsweise konstanter Leistung betrieben.
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Eine
geeignete, hier nicht explizit dargestellte Mess- und Auswerteelektronik,
die im Gehäuse 30 der
Kraftstoffsensoreinrichtung 3 untergebracht ist oder an
die die Kraftstoffsensoreinrichtung 3 anschließbar ist,
ist für
eine Auswertung der gemessenen charakteristischen Temperaturen des
Kraftstoffs vorgesehen.
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Die
hier offenbarte Kraftstoffsensoreinrichtung 3 ist in der
Lage, bereits kleinere Zumischungen von niedrig siedenden Ottomotorkraftstoffen
zu eher hoch siedenden Dieselkraftstoffen sehr sensitiv zu erkennen.
Die Kraftstoffsensoreinrichtung 3 nutzt dazu die relativ
hohe Differenz im Siedebeginn zwischen Ottomotor- und Dieselmotorkraftstoffen
aus.
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Die
Kraftstoffsensoreinrichtung 3 erfasst den Siedebeginn durch
eine Veränderung
des Wärmeableitungswiderstands
von der Heizvorrichtung 5 in das Fluid in Folge von Blasenbildungen
an der Heizfläche beziehungsweise
in Folge einer Änderung
der konvektiven Wärmeströmung durch
Viskositätsänderungen
der Fluidmedien. Die freie Konvektion der Heizflächen der Heizvorrichtung 5 hängt relativ
stark von der Viskosität
des einströmenden
Mediums ab. Eine derartige Veränderung
der Wärmeströmung kann von
der hier vorgestellten Kraftstoffsensoreinrichtung 3 ebenfalls
erkannt werden.
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Wie
in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel
erläutert,
ist die Kraftstoffsensoreinrichtung 3 vorzugsweise im Zulauf
des Kraftstofftanks 1 untergebracht. Durch die im Wesentlichen
siphonartige Überlaufstruktur 32 ist
die Kraftstoffsensoreinrichtung 3 trockenlaufsicher. Da
die Kraftstoffsensoreinrichtung 3 mit dem Zulauf 6 des
Kraftstofftanks 1 verbunden ist, wird sie beim Betanken
mit dem jeweils zugetankten Kraftstoff gespült, so dass während des Betankens
oder aber anschließend
die Kraftstoffeigenschaften der zugetankten Mengen mit Hilfe der Kraftstoffsensoreinrichtung 3 zuverlässig bestimmt werden
können.
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Die
Kraftstoffsensoreinrichtung 3 kann also diverse Kraftstoffe
und deren Substitute anhand ihrer Temperierung, das heißt, anhand
einer Gleichgewichtstemperatur bei Konstantstrom, anhand des Stromverbrauchs
bei definierter Temperatur beziehungsweise anhand der Aufheiz- und
Abkühlzeiten eines
Temperaturzyklus zuverlässig
unterscheiden. Die Kraftstoffsensoreinrichtung 3 ist auch
in der Lage, biogene Kraftstoffe oder Kraftstoffzumischungen, wie
zum Beispiel Biodiesel, synthetische Dieselkraftstoffe und andere
Mitteldestillate durch eine Änderung
der Übergangstemperatur
an der Heizvorrichtung 5 zu identifizieren. Dabei besteht
die Möglichkeit,
dass die Kraftstoffsensoreinrichtung 3 das einströmende Fluid
mittels der Heizvorrichtung 5 vor einer Bestimmung der Übergangstemperatur
temperiert.
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Wird
die Heizvorrichtung 5 der Kraftstoffsensoreinrichtung 1 zum
Beispiel mit einem geringen Dauerstrom beaufschlagt, so kann anhand
der Veränderung
der Gleichgewichtstemperatur, die mit Hilfe der Temperaturerfassungsmittel
und einer Messelektronik bestimmt wird, ein Betankungsvorgang erkannt werden.
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Nach
dem Abschluss des Betankens kann eine exaktere Analyse des zugetankten
Kraftstoffs ohne störende
Strömungseinflüsse durchgeführt werden.
Zusammen mit der Information des Füllstandsgebers des Tankmoduls 4 über die
zugetankte Kraftstoffmenge lässt
sich durch eine kontinuierliche Mischungsrechnung die jeweilige
Zusammensetzung des Kraftstoffs im Kraftstofftank 1 bestimmen.
Für diese
Funktion der Kraftstoffsensoreinrichtung 3 ist es ausreichend,
wenn zumindest eine Zulaufleitung der Kraftstoffsensoreinrichtung 3 mit
dem Zulauf des Kraftstofftanks 1 verbunden ist, so dass
der zugetankte Kraftstoff die Kraftstoffsensoreinrichtung 3 spülen kann.
Eine elektrische und mechanische Anbindung an bereits bestehende
Tankmodule 4 (Füllstandsgeber,
Pumpe und eine Steuerungseinrichtung) ist besonders vorteilhaft.
Die Informationen über
die Art und die Mischung des Kraftstoffs im Kraftstofftank können dem
Motormanagement zur Verfügung
gestellt werden, um die Verbrennung des Kraftstoffs im Motor zu
optimieren.
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Neben
der Erkennung von Fehlbetankungen ist eine weiterer Anwendungsbereich
der hier beschriebenen Kraftstoffsensoreinrichtung 3 die
Erfassung biogener Zumischungen von Alkohol (Methanol, Ethanol,
etc.) oder Ether (MTBA, ETBA) als Reaktionsprodukt des Alkohols
mit Alkenen zu herkömmlichen
Ottomotorkraftstoffen. Eine Zumischung von Alkoholen steigert die
Klopffestigkeit des Kraftstoffs und erlaubt eine Leistungssteigerung
der Motoraggregate um etwa 10%. Andererseits führt die Zumischung auch zu
einem niedrigeren Heizwert und zu einer stärkeren Flüchtigkeit des Kraftstoffs.
Mischungen aus Alkoholen mit Kraftstoffen bilden ein Dampfdruckmaximum
bei 85% Alkohol und 15% Benzin. Das bedeutet, dass derartige Mischungen
einen niedrigeren Siedebeginn als die Reinstoffe aufweisen und dass
die Beimischung von Alkohol zu einer deutlichen Erhöhung der
Flüchtigkeit
der Kraftstoffmischung führt.
Die Verringerung des Siedebeginns durch das Hinzufügen von
Alkoholen kann mit Hilfe der hier beschriebenen Kraftstoffsensoreinrichtung 3 ebenfalls
erfasst werden.
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Durch
die alternative Möglichkeit
der Anordnung der Kraftstoffsensoreinrichtung 3 im Kraftstofftank 1 (Tankmodul,
Einfüllstutzen 2)
kann das Risiko einer Fehlbetankung ebenfalls verringert werden.
Ein weiterer Vorteil der hier beschriebenen Kraftstoffsensoreinrichtung 3 besteht
darin, dass diese derart im Kraftstofftank 1 verbaut werden
kann, dass die Kraftstoffsensoreinrichtung 3 auch zwischen
Sommerdiesel, Winterdiesel, Biodiesel und synthetischen Dieselkraftstoffen
unterscheiden kann. Da die noch vorhandene Kraftstoffmenge im Kraftstofftank 1 und
die hinzugefügte
Kraftstoffmenge über
den Füllstandsgeber
des Tankmoduls 4 bekannt sind, können zum Beispiel in einem
Steuergerät
durch Mischungsrechnungen exakt die Eigenschaften des sich im Kraftstofftank 1 befindenden
Kraftstoffgemischs bestimmt werden.
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Somit
können
in besonders vorteilhafter Weise zum Beispiel Fehlbetankungen eines
Dieselfahrzeugs, Benzinzusätze
im Diesel, biogene Kraftstoffzusätze
sowie synthetische Mitteldestillate zur Dieselsubstitution erkannt
werden. Dazu wird dann der Gehalt von Benzinkraftstoff im Dieselkraftstoff
beziehungsweise der Gehalt von Biodiesel oder synthetischen Mitteldestillaten
im Dieselkraftstoff bestimmt.
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Wenn
die Kraftstoffsensoreinrichtung 3 als Teil einer Schutzvorrichtung
zur Vermeidung von Fehlbetankungen eine Fehlbetankung erkennt, kann zum
Beispiel eine Fehlbetankungswarnvorrichtung ausgelöst werden
und/oder eine Verschlussvorrichtung im Zulauf des Kraftstofftanks 1 aktiviert
gesteuert werden, um den Tankvorgang zu unterbrechen oder freizugeben.
Ferner besteht die Möglichkeit, dass
Mittel zur Startunterbrechung des Motors vorgesehen sind, so dass
der Motor des Kraftfahrzeugs nach einer Fehlbetankung nicht mehr
gestartet werden kann. Die Fehlbetankungswarnvorrichtung und/oder
die Verschlussvorrichtung und/oder die Mittel zur Startunterbrechung
des Motors bilden weitere Bestandteile der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung
zur Vermeidung von Fehlbetankungen. Die Verschlussvorrichtung kann
zum Beispiel ein herkömmliches
Tankentlüftungsventil
oder ein Ventil, das in Tankzulauföffnungen verbaut ist und als
Auslaufsicherung für
den Tank 1 dient, umfassen.
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Die
Kraftstoffsensoreinrichtung 3 kann in einer weiteren alternativen
Ausführungsform
auch in Kraftstoffzuleitungen des Motors angeordnet sein und ermöglicht Analysen
der Kraftstoffmischung, die aktuell der Verbrennung des Motors zugeführt wird.
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Auf
Grund des explosionsgeschützten
Aufbaus kann die Kraftstoffsensoreinrichtung 3 im Gasraum
des Kraftstofftanks 1 betrieben werden. Ferner ist die
Kraftstoffsensoreinrichtung 3 auch in Kraftstofftankgebermodule
integrierbar und daran anschließbar.